導(dǎo)讀

超疏水材料是指材料表面與水的接觸角大于150°的材料。超疏水材料的特性最早是在荷葉表面發(fā)現(xiàn)的，水滴可以在荷葉表面自由滾動(dòng)，超疏水表面賦予了荷葉自清潔功能，從而達(dá)到“出淤泥而不染”的效果。目前，通過對(duì)超疏水表面的結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)其表面都具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)以及低表面能的物質(zhì)，兩者的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致材料表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性。隨著研究的不斷深入，超疏水表面在建筑防水中的應(yīng)用也越來越受到人們的關(guān)注。

超疏水表面的理論基礎(chǔ)

潤(rùn)濕性是材料表面的一項(xiàng)重要特性，通常用接觸角來描述。當(dāng)水與材料表面接觸角小于90°時(shí)，材料表面親水；當(dāng)水與材料表面接觸角大于90°時(shí)，材料表面疏水；當(dāng)接觸角大于150°時(shí)，材料表面為超疏水表面。

早在1805年，T•Young就提出了理想、光滑、惰性表面的Young方程：

cosθe=（γSG-γSL）/γLG 

其中，γSG、γSL和γLG分別為固氣、固液和液氣界面間的表面張力，θe為固體表面的本征接觸角。可以看出，固體表面的潤(rùn)濕性受三相界面的共同影響。

然而，實(shí)際應(yīng)用的材料表面并不能夠達(dá)到Y(jié)oung方程所要求的理想狀態(tài)，總會(huì)存在粗糙結(jié)構(gòu)。因此，必須考慮表面粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)于潤(rùn)濕性的影響。

Wenzel引入了表面粗糙度概念，假定液體填滿微結(jié)構(gòu)表面的凹槽，則粗糙表面的表觀接觸角θ與光滑表面的本征接觸角θe之間有如下關(guān)系： 

cosθ=r•（γSG-γSL）/γLG=r•cosθe

定義r為材料表面的粗糙度因子，為實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積之比，r≥1。對(duì)于疏水表面，90°＜θe＜180°，cosθe＜0。因此， cosθ＜cosθe，即θe＜θ。對(duì)于親水表面，0°＜θe＜90°，cosθe＞0。因此cosθ＞cosθe，即θe＞θ。可以看出增加材料表面粗糙度，可以使得親水表面更加親水，疏水表面更加疏水。

Cassie和Baxter研究認(rèn)為液體與固體表面的接觸是一種復(fù)合接觸，疏水表面的液滴不能填滿粗糙表面的凹槽，存在空氣墊。因此存在如下關(guān)系式：

cosθ=fs（1+cosθe）-1

其中，fs為復(fù)合接觸中固液接觸面積所占的比例。可以看出，對(duì)于粗糙的固體表面，空氣墊部分所占的比例越大，固液接觸面積越小，材料的疏水性越高。對(duì)于高度粗糙的固體表面，fs→0，cosθ→-1，θ→180°。

超疏水表面在建筑防水中的應(yīng)用探索

傳統(tǒng)的防水措施是為了防止水對(duì)建筑物某些部位的滲透而從建筑材料上和構(gòu)造上所采取的手段。超疏水材料具有獨(dú)特的疏水性，其疏水性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過防水卷材和防水涂料等傳統(tǒng)產(chǎn)品，在建筑物內(nèi)外墻、地下室、玻璃及金屬框架等的防水和防沾污方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

趙璽浩等發(fā)明了一種建筑外墻用泡沫水泥保溫板用疏水自清潔涂料及其制備方法。該方法分為制備超疏水填料和制備疏水自清潔涂料兩個(gè)步驟，制得的涂料可以滾涂、噴涂、刷涂到發(fā)泡水泥保溫板上，常溫干燥后就可以得到疏水自清潔涂層。該產(chǎn)品疏水性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于建筑外墻體系。

A•Bake等采用簡(jiǎn)單的噴涂工藝在玻璃上制備了超疏水透明自清潔表面，涂層第一層為底漆層，第二層為功能化的納米二氧化硅顆粒。該超疏水表面在300 ℃高溫、高強(qiáng)度的紫外輻射12 h、高速水流沖擊1 h下仍然穩(wěn)定，這一優(yōu)異的特性使得其在戶外惡劣條件下仍然保持長(zhǎng)期的超疏水自清潔性能。

超疏水表面的自清潔能力

徐黎黎等以納米級(jí)的氣相二氧化硅和水性氟碳樹脂為主要原料，以水為溶劑，通過氟硅烷疏水改性后獲得了一種具有自清潔效應(yīng)的超疏水涂料，該涂料可噴涂于各種軟硬表面獲得超疏水表面，其接觸角均大于150°，滾動(dòng)角均小于10°。水滴撞擊實(shí)驗(yàn)表明，樹脂增強(qiáng)的超疏水涂料經(jīng)總體積為600 mL的連續(xù)水滴撞擊后，其靜態(tài)接觸角依然大于150°，滾動(dòng)角依然保持在10°以內(nèi)。經(jīng)砂紙打磨40周期后，水滴依然可以從其表面滾落。

魯俊杰等通過將有機(jī)硅乳液與含氟丙烯酸乳液復(fù)合并添加納米SiO2制備了外墻用水性超疏水涂料，研究了涂料配方和固化溫度對(duì)涂層超疏水性能的影響，并考察了涂層超疏水性能耐水穩(wěn)定性。結(jié)果表明，所制備的超疏水涂料環(huán)境友好，生產(chǎn)和涂裝工藝簡(jiǎn)單，可室溫固化，涂層超疏水性能穩(wěn)定，耐沾污性良好。

周建偉等發(fā)明了一種用于建筑物外墻和保溫管線領(lǐng)域具有相變功能的超疏水涂料的制備方法，通過復(fù)合水性氟硅丙烯酸乳液、有機(jī)相變微膠囊以及納米粒子來構(gòu)建具有微納米二級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水相變涂料。將氟硅丙烯酸乳液、有機(jī)相變微膠囊、納米粒子以及消泡劑和水混合均勻后，采用高速分散機(jī)或超聲粉粹機(jī)進(jìn)行分散，0.3～2 h后即得超疏水涂料。該發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，制備的疏水涂料具有保溫和自清潔性能，方便大面積施工。

袁騰等采用外乳化法，以自制的長(zhǎng)碳鏈烷基三乙氧基硅烷乳化制備了滲透型硅烷防護(hù)膏體，對(duì)經(jīng)膏體養(yǎng)護(hù)的混凝土進(jìn)行接觸角、吸水率、滲透深度和綜合涂布性能等測(cè)試，結(jié)果表明：硅氧烷烷基碳鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所制備膏體的滲透深度就越小，防護(hù)表面水的接觸角就越大，增加涂布次數(shù)有利于提高其對(duì)混凝土的防護(hù)效果，甚至可使混凝土表面達(dá)到超疏水狀態(tài)。

左桂福等以107#硅橡膠和含氟聚硅氧烷的共混膠為基膠，通過獨(dú)創(chuàng)梯度涂覆工藝制備出超疏水涂料，該涂料表面形成了類似荷葉乳突的多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)。疏水角測(cè)試結(jié)果表明，水滴靜態(tài)接觸角平均值為157.5°，最高可達(dá)161.9°，滾動(dòng)角僅為2°。與傳統(tǒng)的疏水材料及工藝相比，該涂料成本低，制作工藝簡(jiǎn)單，有望在超疏水領(lǐng)域得到工業(yè)化應(yīng)用。

疏水層的宏觀照片

展望

超疏水表面以其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出不同于常規(guī)防水材料的優(yōu)異性能，已成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，超疏水表面的實(shí)際應(yīng)用并沒有大規(guī)模普及，還有許多問題亟待解決：首先，目前報(bào)道的制備方法，條件都比價(jià)苛刻，生產(chǎn)成本比較昂貴。因此，后續(xù)需要研究低成本大面積制備超疏水表面的方法。其次，材料表面的微觀結(jié)構(gòu)容易受到外界破壞，造成疏水性能的降低。因此，探尋具有可修復(fù)、無(wú)結(jié)構(gòu)依賴性、光滑、低滾動(dòng)角的新型表面，是未來研究的一個(gè)突破方向。此外，實(shí)際應(yīng)用的材料表面粗糙不平，化學(xué)成分不均一，而且存在接觸角滯后現(xiàn)象。因此，對(duì)于材料表面微觀結(jié)構(gòu)與潤(rùn)濕性的定量關(guān)系還有待深入研究。總之，超疏水材料以其優(yōu)異的性能在建筑防水領(lǐng)域具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著研究的深入，超疏水表面的應(yīng)用瓶頸將會(huì)得到解決，防水行業(yè)或?qū)?huì)迎來一場(chǎng)新的材料革命。

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